The ghost of Ayrton Senna

Gracias a los avances de la tecnología, Honda mediante el uso de los datos de telemetría obtenidos por Ayrton Senna en el circuito de Suzuka en 1989 realizó este fantástico montaje donde se puede disfrutar del fantasma de Senna…

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La maravillosa fibra que puede salvar vidas en los accidentes… 3ra Parte

Lo que exige la Federación Internacional del Automovilismo (FIA) 

Pruebas de Materiales 

La vida no tiene precio, ni de un simple mortal ni la de un piloto de Fórmula 1 y a un costo elevado en vidas el organismo rector a nivel mundial que rige a la categoría como a otras fue regulando las normas siempre después de un desastre hasta que la inmolación de aquel negro y triste Imola del ’94 cuando en un fin de semana la fatalidad se llevó al tricampeón y a Roland Ratzenberger y casi le cuesta la vida a Rubens Barrichello que se salva por los pelos, decide crear nuevas medidas que desde entonces han servido para que en casi dos décadas no se registraran más tragedias irreparables. 

 

Entre las exigencias severísimas de la Federación Internacional del Automóvil están las pruebas de choques laterales, frontales y en caso de vuelco y son muy detalladas en cuanto a los parámetros que deben ser tenidos en cuenta que año a año se van actualizando. 
Lo que sigue es un breve enunciado de alguna de ellas. 

Prueba sobre el área frontal 
El cono de la nariz se ha reglamentado con el fin de cumplir con las pruebas de choque que exige la FIA. Junto con la célula de supervivencia el cono de la nariz se somete a varias pruebas de choque para garantizar la seguridad y a la sobrevida del piloto en caso de un accidente. 

 

 

Prueba estática sobre el arco antivuelco 
 

La medición de la eficiencia de absorción de energía de un material compuesto 
 

La resistencia a los impactos de la célula de supervivencia es de gran importancia, en este ejemplo la penetración de una horquilla rota lesionó la pierna del piloto. 
 
 

Prueba de la FIA de un impacto lateral 
 

Configuración de la prueba de intrusión en un panel . 
 

Prueba destructiva de la capacidad de absorción de la estructura posterior 

 
 

Prueba de la protección delantera de un fórmula 1 

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=sRYFs24t9fQ

Prueba de la protección trasera de un fórmula 1 

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=RtRnR1HiN5o

La maravillosa fibra que puede salvar vidas en los accidentes… 2da Parte

¿Que es la Fibra de Carbono?

La fibra de carbono (alternativamente denominada fibra de grafito) es un polímero llamadopoliacrilonitrilo (PAN) obtenido por un proceso de calentamiento bastante complicado de describir pero que viene a ser una forma de material similar al grafito y consiste en fibras extremadamente finas alrededor de 0,005 a 0,010 mm de diámetro y compuestos principalmente de átomos de carbono.

Los átomos de carbono están unidos entre sí en los cristales microscópicos (anillos aromáticos hexagonales) que están más o menos alineados en paralelo a lo largo del eje de la fibra. La alineación de cristal hace que la fibra sea increíblemente fuerte para su tamaño.

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Varios miles de fibras de carbono juntas están retorcidas entre sí para formar un hilo, que puede ser utilizado por sí mismo o tejido en una tela.

La fibra de carbono se puede combinar con sustancias epoxi y moldeadas para formar materiales compuestos tales como plástico reforzado con fibra de carbono (también referenciado como fibra de carbono o CFRP) para proporcionar un material de alta resistencia y de bajo peso proporcional. La fibra de carbono es un material muy fuerte, que también es muy ligero. A los ingenieros y diseñadores les encanta porque es cinco veces más fuerte que acero, dos veces más dura y, sin embargo, pesa alrededor de un tercio.

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La densidad de la fibra de carbono también es considerablemente menor que la densidad del acero que lo hace ideal para aplicaciones que requieren bajo peso. Las propiedades de la fibra de carbono, tales como alta resistencia, bajo peso y baja expansión térmica hacen que sea muy popular en la industria aeroespacial, militar y en los deportes de motor junto con otros deportes de competición. El aspecto único de la fibra de carbono también hace que sea popular para propósitos estilísticos.

Estas fibras no son utilizados por sí mismas sino que en su lugar se usan para reforzar otros materiales como resinas epoxi y otros materiales termoestables y los llamamos materiales compuestos reforzados o composites debido a que tienen más de un componente.

En el diseño de un coche de carreras se pone empeño para que sea capaz de proteger su ocupante en una colisión, se debe recordar que en un choque tanto la energía y el impulso se conservan .y la tarea del ingeniero es hacer que la disipación de ambos sea de tal manera que lo menos posible de esa energía sea pasada al que conduce.
La resistencia de los vehículos a los choques requiere un entendimiento de las respuestas de las estructuras y materiales para disipar la carga dinámica. Además, el efecto de esta carga en el conductor también debe ser considerada. No es la velocidad lo que hiere o mata a la gente, es la súbita pérdida de ella. El diseñador debe tener en cuenta la desaceleración que será transmitida al piloto y debe consultar con médicos especialistas en cuanto a qué niveles “g” es capaz de sobrevivir el conductor.

La Construcción de Autos de Formula 1

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Los equipos utilizan fibras de carbono impregnadas en una resina epoxi y una capa de aluminio, que se intercala entre dos capas de fibra de carbono. El chasis suele ser la primera parte del coche a construirse, debido a la cantidad de tiempo requerido. El chasis normalmente consta de alrededor de 8 partes o paneles
La primera etapa del proceso de fabricación es construir un modelo sólido (computercut), desde el cual se produce un molde para el panel.
Los moldes se construyen mediante la acumulación de un total de 10 capas de fibra de carbono pre-impregnadas con resina de cada patrón para producir el molde. La producción del molde tiene lugar en varias etapas, con tratamientos en vacío, de reducción y procesos de calor. El molde, a continuación, tiene que ser limpiado completamente y preparado para su uso.

La siguiente fase es la fabricación real de una parte del coche, hecha de laminas de fibra de carbono divididas, pre-impregnadas, que se colocan cuidadosamente dentro de los moldes. Es de vital importancia orientar las láminas de fibra de carbono de una manera determinada a fin de lograr la resistencia deseada. Se enciman un total de 5 capas de fibra de carbono, formando la parte exterior del chasis (para lograr un espesor de 1 mm hace falta unas 3 o 4 capas de fibra de carbono).

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La siguiente etapa del proceso es la cura de la fibra de carbono en un autoclave. Esto expone la fibra de carbono a ciclos de alta temperatura y de alta presión de acuerdo a las necesidades específicas de los materiales y componentes que se están procesando.
Durante este tratamiento, la resina impregnada en la fibra de carbono se derrama en las fibras circundantes y se activa, ‘curando’ la fibra de carbono.

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Una vez que se ha curado y enfriado el exterior, una capa de panal de abeja en aluminio se fija sobre el exterior por una lámina de resina para asegurar que los materiales se adhieren. El panel , a continuación, vuelve al autoclave para el proceso de ‘curado’. Después de haberse enfriado nuevamente, se agregan una o varias capas más, conformado por un número determinado de láminas de fibra de carbono pre-impregnadas se colocan en la parte superior y son tratados nuevamente en el autoclave por última vez.

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A continuación veremos como es el proceso de preparación de la fibra de carbono:

La construcción del chasis se desarrolla en etapas según los diferentes cortes de fibra de carbono y el horno o autoclave tiene un papel vital en cada etapa y allí se cocinan las partes a diferentes temperaturas y a distintas presiones en vacío para extraer cualquier aire del material.
Con cada parte que entra en el autoclave, el proceso es el mismo: la fibra de carbono es colocada en el molde que debe estar cubierta de una capa plástica permeable, para permitir la salida del aire. Se cubre con una tela que deja “respirar” al material, antes de ser colocado en una bolsa de nylon que entra en el horno.

Procesos

Los dos procesos principales durante el cual los autoclaves entran en juego son el “de compresión” y el “de curación“:
El primero de ellos se utiliza para compactar y comprimir el material, por lo tanto, se utilizan temperaturas más bajas, hasta obtener que la resina llegue hasta el punto donde fluye y compacta el material hacia la parte baja del molde.
La curación es el proceso durante el cual la fibra de carbono adquiere su fuerza y rigidez. Normalmente, para la primera curación del chasis se coloca en el autoclave durante tres o cuatro horas, a una temperatura de hasta 180ºC bajo una presión de alrededor de 294 kg/cm2. La presión se incrementa constantemente a medida que aumenta la temperatura: El punto exacto en el que se hace el proceso es un secreto por parte de los equipos, ya que puede aportar una importante ventaja para sus rivales.

El chasis monocasco

Una capa de aluminio con forma de panal se inserta entre estas capas, lo que aumenta aún más la rigidez del monocasco .Toda la capa se calienta en el autoclave, en un horno gigante y bajo presión negativa.

Después de dos horas y media, la cáscara se endurece, siendo que el procedimiento de cocción se repite dos veces más y como resultado de estas maquinaciones los monocascos son lo suficientemente fuertes para proteger a los pilotos, incluso en en el más grave de los accidentes, como el que participó Robert Kubica en Canada en uno de los accidentes que entran en la categoría de los espeluznantes .
El de Fisichella en Silverstone en 1997 tras una posterior evaluación de los registros demostró que su Jordan redujo su velocidad de 227 kmh a cero en sólo 0,72 segundos, lo que corresponde matemáticamente a una caída desde una altura de 200 metros.Aún así, lo único que el italiano sufrió fue una lesión menor en la rodilla, en gran parte gracias al monocasco.

La evolución de la aplicación de la fibra de carbono

Como toda tecnología la construcción de chasis en base a esta “milagrosa” fibra se fue desarrollando a medida que se conocían sus secretos tanto teóricos como de métodos constructivos y se profundizaba en las investigaciones sobre nuevos materiales y las nuevas formas de construcción que dieran una mayor seguridad y a la vez ampliar el campo de aplicaciones; recordemos que en principio sus usos se restringían al chasis. Asimismo los monocascos fueron haciéndose con formas más suaves en contraste con los primeros que tenían proporciones angulosas y a la vez se fueron aumentando las regulaciones sobre los medios adicionales de seguridad como la capacidad de soportar impactos laterales, frontales y traseros.
Hoy en día el porcentaje que ocupan los materiales compuestos entre los elementos que componen un auto de carreras llega a casi el 90%. Hasta el volante está confeccionado en fibra de carbono y John Barnard, el mismo creador del primer chasis en fibra de carbono, desarrolló en 1994 cuando estaba en Ferrari, un revolucionario diseño de la caja de cambios construida en CFRP, iniciales del material compuesto reforzado por fibras y ciertamente esta clase de caja ha sido utilizada con éxito por el equipo Arrows desde 1998.



Los CFRP son excelentes materiales para los,chasis, tanques, cubiertas y estructuras de impacto, pero no es tan bueno en la aceptación de cargas puntuales como son las juntas, cajas de cojinetes y soportes de suspensión pero la constante investigación han ido abriendo el campo en estas aplicaciones.

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La maravillosa fibra que puede salvar vidas en los accidentes… 1ra Parte

La carrocería y el chasis fibra de carbono sin dudas después de la invención del chasis monocasco ha sido un hito en la tecnología de avanzada introducida a la Fórmula 1 para su progreso tanto en los rendimientos de los vehículos como de la seguridad intrínseca de los pilotos.
Hoy, como la imagen de arriba lo demuestra, es común que cada tanto en las carreras se vean escenas como esa en la que cuando se embisten dos autos de la Fórmula 1 actual una explosión de pedazos de fibra de carbono deja la pista sembrada de afilados trozos pero del cockpit se bajan indemnes ambos pilotos que sólo piensan en la próxima carrera.

Lamentablemente las muertes de Ayrton Senna y de Roland Ratzenberger no pudieron ser evitadas así como las de Jeff Krosnoff, Paul Dana, Gregg Moore y Dan Wheldon en la IndyCars aunque no todas, por no decir ninguna han sido achacables a la destrucción del chasis en sí que en todos los casos la destrucción, aún siendo importante, el deceso de los pilotos se debió a distintas causas como por ejemplo a Ayrton es la horquilla de la suspensión que lo asesina por encima de los hombros al descubierto o a Krosnoff (foto de abajo) y Wheldon que mueren por golpes en sus cabezas al embestir el cerco o por otros autos. Así ocurrió en otras categorías en la que las muertes se produjeron por otros motivos y afortunadamente los que pudieron contarla se cuentan de a decenas. La seguridad entre los ochenta y los noventa en la Fórmula 1 se sextuplicó y hoy en día la comparación con las décadas de los sesenta y setenta no resiste el menor análisis.

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Los desdichados Roland y Gregg no sobrevivieron a impactos laterales a más de 300 km/h y terminaron con fracturas en la base del cráneo al estrellarse contra paredones de cemento en despistes sin que los autos fueran detenidos o al menos disminuida su alta velocidad por unas adecuadas zonas de seguridad con camas de leca.

A veces un accidente deja al piloto sin vida y al coche intacto como fue el caso del Gonzalo “Gonchi” Rodríguez en Laguna Seca cuando el Penske sin frenos embiste el guardrail da una vuelta campana cayendo ruedas arriba y desnuca al infortunado piloto oriental al hundirse en la arena el arco antivuelco.
Lo paradójico se da en otros accidentes más espectaculares cuando el piloto sobrevivió gracias a la destrucción progresiva y total de la celda de supervivencia. Y de ellos trataré de analizarlos a continuación.

El Devenir Histórico de su uso

En un accidente típico de un coche de alta competición, como lo es un fórmula 1, a altas velocidades con aquellos monocascos de chapas de aleación de aluminio remachadas la tasa de sobrevida del piloto era muy baja y en los casos de supervivencia los costos en salud para los conductores eran elevados con fracturas severas o incapacidades como le sucedió a Clay Regazzoni cuando se estrella en su Ensign contra el muro en la salida de escape de una curva luego de quedarse sin frenos en la larga recta del callejero de Long Beach a más de 180 km/h. El pobre de “Rega” termina con las rodillas sobre su casco y la columna partida quedando parapléjico ante la imposibilidad de que un chasis metálico pudiera absorber semejante impacto contra unas defensas muy primitivas como lo eran los neumáticos apilados delante del bloque de concreto que fue desplazado casi 2 m de su lugar lo que da una pauta de las fuerzas cinéticas en juego cuando un auto de competición choca.

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Por el contrario, unos años antes, durante las practicas Gran Premio del Gran Bretaña de 1977 en el veloz SilverstoneDavid Purley sufrió un gravísimo accidente luego de impactar frontalmente a más de 175 km/h contra uno de los guardrail de contención del circuito, el golpe fue tal que el auto se clavó en el lugar del impacto sufriendo una desaceleración de 180 g, que lo llevó a figurar en los archivos médicos como el ser humano que consiguió sobrevivir milagrosamente a una de las más brutales desaceleraciones que se tienen registradas en el automovilismo deportivo. Siendo la capacidad de absorción del chasis de aluminio limitada se temió mucho por su vida sobreviviendo a varios paros cardíacos y a múltiples fracturas y heridas internas.
Su sobrevida y posterior recuperación fue remarcada como milagrosa teniendo en cuenta lo sucedido.

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Todo lo expuesto sirve para demostrar que los riesgos inherentes de correr en esos monocascos de aluminio y sufrir graves perjuicios aumentaba año a año ya que las limitaciones de la FIA poco y nada podían hacer frente para limitar esos daños. Hasta que aparece la fibra milagrosa…

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El paso de la aleación de aluminio al chasis de fibra de carbono despertó gran ansiedad entre los diseñadores dentro de la Fórmula 1 con respecto a la capacidad de tales materiales frágiles en apariencia para proteger al conductor en caso de un accidente ya que en un principio cuando fue introducida en 1981 por McLaren y la compañía aeroespacial Hércules despertó dudas y toda clase de comentarios despectivos, suspicacias y hasta estaban dispuestos a pedir a la FISA que no permitiera su uso.

Llegados a este punto que la fibra de carbono se había utilizado en los coches de Fórmula 1 con anterioridad, a partir de su utilización en el Embassy Hill GH1 , con el que corriera el rey de Mónaco en 1975. Su diseñador, Andy Smallman, la utilizó para los soportes del alerón trasero, nada más pero sí a McLaren le cupo el diseño integral del chasis y especialmente al brillante ingeniero John Barnard.

El accidente de John Watson en Monza de ese año disipó las objeciones ante la evidencia de la seguridad que ofrecía su utilización en coches de carrera. La alta rigidez del chasis permitió que la energía disipada del impacto sea transmitida a toda la estructura como un todo en lugar de ser concentrada en el punto de impacto. Por otra parte,el material compuesto era capaz de absorber la energía de impacto por una desintegración controlada de la estructura. Por contraste, las fuerzas generadas por el impacto en un vehículo construido a partir de un metal dúctil tal como el aluminio son suficientes para superar los límites elásticos del material que son muy limitados. Watson si hubiera estado conduciendo un coche así el chasis habrían permanecido en una sola pieza pero colapsada y comprimida hasta que toda la energía hubiera sido absorbida. Como consecuencia de ello sin dudas se hubiera matado.

La realidad de la situación, sin embargo fue que los autos de competición fabricados con materiales compuestos ofrecen una muy mejorada resistencia al impacto con respecto a sus predecesores metálicos. Gran parte de la mejora en el nivel de seguridad de este deporte en los últimos años se deriva del comportamiento de una rotura controlada que tienen los materiales que incluyen a la fibra de carbono como elemento básico en su composición.

El ejemplo más notable es la capacidad de absorción que tienen los compuestos en base a la fibra de carbono que le brinda la solidez de un monocasco construido según las normas de una categoría tan exigente como la Fórmula 1. La pauta la dio hace unos años el resultado de un accidente en Canadá protagonizado por Robert Kubica del que hablaré en otra oportunidad…

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La investigación sobre la comprensión de cómo funcionan ante el impacto y su comportamiento en caso de fractura de estos materiales ha permitido el diseño de un sofisticado sistema de protección del piloto en la estructura de los vehículos con una pena mínima recarga en el peso. El chasis en sí se ha convertido en una “célula de supervivencia” capaz de tolerar daños en incidentes menores y en la prevención de cualquier penetración de cuerpos extraños, mientras que al mismo tiempo es capaz de proteger al conductor en caso de un gran impacto. Aunado a esto están los dispositivos estructurales especializadas diseñados para absorber grandes cantidades de energía por fractura y desintegración controlada como el cono delantero y la estructura posterior que se ancla en la caja de cambios.

La Célula de Supervivencia

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Uno de los factores que han hecho que un F1 tan seguro en estos últimos años ha sido el desarrollo de la célula de supervivencia, a menudo denominado simplemente como el monocasco. Esta estructura de fibra de carbono forma en un solo elemento la cabina y el tanque de combustible con una capacidad de al menos 180 litros.

Es increíblemente fuerte y debe poseer paneles a cada lado para evitar que puedan penetrar objetos punzantes en la célula de supervivencia en caso de accidente lateral y puedan herir al piloto. Además deben estar provistos de unas estructuras deformables antichoque, regularmente son cuatro, para absorber la energía y desaceleración de los impactos.
Así que estas células deben ser robustas y que cada equipo sólo construye cuatro o cinco durante una temporada.

En común con los aviones, la mayoría de los componentes críticos de un coche de Fórmula 1 son capaces de tener la rigidez necesaria y las únicas son las fibras de carbono que exhiben la rigidez específica más alta que cualquier otro material disponible en ingeniería. Dado que la rigidez es el criterio más importante que se procura en el diseño por lo tanto, se podría esperar una selección de los materiales reducida a una simple cuestión de elegir fibras con el módulo más alto. Desafortunadamente, producir fibras de módulos crecientes implica una correspondiente aumento de la fragilidad.

Llegó el momento que nos preguntemos ¿Qué es la fibra de carbono?….

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